Alümina bünyelerin pektin kullanılarak jel döküm işlemiyle üretimi ve karakterizasyonu

(1)

ALÜMİNA BÜNYELERİN PEKTİN KULLANILARAK JEL DÖKÜM İŞLEMİYLE ÜRETİMİ VE KARAKTERİZASYONU

YÜKSEK LİSANS TEZİ Nuriye GÖKTAŞ

Danışman

Dr. Öğr. Üyesi Derya Yeşim HOPA KİMYA MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI

(2)

AFYON KOCATEPE ÜNİVERSİTESİ

FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

YÜKSEK LİSANS TEZİ

ALÜMİNA BÜNYELERİN

PEKTİN KULLANILARAK JEL DÖKÜM İŞLEMİYLE

ÜRETİMİ VE KARAKTERİZASYONU

Nuriye GÖKTAŞ

Danışman

Dr. Öğr. Üyesi Derya Yeşim HOPA

KİMYA MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI

(3)

Nuriye GÖKTAŞ tarafından hazırlanan “Alümina Bünyelerin Pektin Kullanılarak Jel Döküm İşlemiyle Üretimi ve Karakterizasyonu” adlı tez çalışması lisansüstü eğitim ve öğretim yönetmeliğinin ilgili maddeleri uyarınca 08/02/2019 tarihinde aşağıdaki jüri tarafından oy birliği ile Afyon Kocatepe Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Kimya Mühendisliği Anabilim Dalı’nda YÜKSEK LİSANS TEZİ olarak kabul edilmiştir.

Danışman : Dr. Öğr. Üyesi Derya Yeşim HOPA

Başkan : Doç. Dr. Fatma EROĞLU,

Ankara Ünv., Fen Edebiyat Fakültesi, Üye : Prof. Dr. Meltem DiLEK

Afyon Kocatepe Ünv. Mühendislik Fakültesi, Üye : Dr. Öğr. Üyesi Derya Yeşim HOPA

Afyon Kocatepe Ünv. Mühendislik Fakültesi,

Afyon Kocatepe Üniversitesi

Fen Bilimleri Enstitüsü Yönetim Kurulu’nun .../.../... tarih ve

………. sayılı kararıyla onaylanmıştır.

………. Prof. Dr. İbrahimEROL

(4)

Fen Bilimleri Enstitüsü, tez yazım kurallarına uygun olarak hazırladığım bu tez çalışmasında;

 Tez içindeki bütün bilgi ve belgeleri akademik kurallar çerçevesinde elde ettiğimi,

 Görsel, işitsel ve yazılı tüm bilgi ve sonuçları bilimsel ahlak kurallarına uygun olarak sunduğumu,

 Başkalarının eserlerinden yararlanılması durumunda ilgili eserlere bilimsel normlara uygun olarak atıfta bulunduğumu,

 Atıfta bulunduğum eserlerin tümünü kaynak olarak gösterdiğimi,

 Kullanılan verilerde herhangi bir tahrifat yapmadığımı,

 Ve bu tezin herhangi bir bölümünü bu üniversite veya başka bir üniversitede başka bir tez çalışması olarak sunmadığımı

beyan ederim.

08.02.2019 Nuriye GÖKTAŞ

(5)

ALÜMİNA BÜNYELERİN

PEKTİN KULLANILARAK JEL DÖKÜM İŞLEMİYLE ÜRETİMİ VE KARAKTERİZASYONU

Nuriye GÖKTAŞ Afyon Kocatepe Üniversitesi

Fen Bilimleri Enstitüsü Kimya Mühendisliği Anabilim Dalı Danışman: Dr. Öğr. Üyesi Derya Yeşim HOPA

Bu çalışmada, farklı oranlarda pektin ilavesiyle şekillendirilmiş alümina numunelerin fiziksel ve mekanik özellikleri karşılaştırılmıştır. Jel döküm işlemi gözeneksiz silikon kalıplarda gerçekleştirilmiştir. Döküm sonrasında kurutulan numunelere üç nokta eğme mukavemeti testleri ve mikroyapı analizleri gerçekleştirilerek değerlendirmeler yapılmıştır. Kurutulmuş numuneler 1500 ºC' de sinterlenmiş ve sinterlenme sonrası üç nokta eğme mukavemeti, gözeneklilik tayinleri ve mikroyapı incelemeleri gerçekleştirilmiştir. Sonuçlara göre pektin miktarı ile birlikte jelleşmeyi başlatan jelleştirici madde olan CaCl2' ün miktarının da çok önemli olduğu görülmüştür. İkinci seri olan %0.15 CaCl2 kullanılan bünyelerin yaş mukavemet değerleri oldukça yüksek bulunmuştur. Bu seride en yüksek yaş mukavemet değeri %1.5 pektin içeren numuneye ait olup 8.61 MPa değerindedir. Standart numunenin yaklaşık 11 MPa olan mukavemet değerine oldukça yakındır. Başarılı olan bu serinin pişirim sonrası fiziksel ve mekanik özellikleri de incelenmiştir. Pişirim sonrasında pektin miktarı %1.5 değerinden daha fazla artırıldığında açık porozite artmakta ve görünür yoğunluk değerleri azalmaktadır. Pişirim sonrasında en yüksek mukavemet değeri %1 pektin içeren numuneye ait olmuş olup (158 MPa) mukavemet değeri standart numuneden (118 MPa) yüksek bulunmuştur. Bu miktardan sonra artan pektin miktarının pişirim sonrası gözenekliliği artırarak mukavemet değerinde düşüşe neden olduğu sonucuna varılmıştır. Mikroyapı analizleri sonuçlarına göre, pektin içeren numunelerin orta kısımlarının yoğun,

(6)

gözenekliliğin artışını açıklamaktadır. Ayrıca ileride yapılacak çalışmalarda hava kabarcığı uzaklaştırma işleminin daha etkili yapılması durumunda pektin ile jel döküm yoluyla şekillendirilmiş numunelerin daha yüksek mukavemet değerlerine sahip olarak elde edilebileceği düşünülmektedir.

2019, xii + 72 sayfa

(7)

PRODUCTION AND CHARACTERIZATION OF ALUMINA BODIES VIA GELCASTING BY USING PECTIN

Nuriye GÖKTAŞ Afyon Kocatepe University

Graduate School of Natural and Applied Sciences Department ofChemical Engineering

Supervisor: Asst. Prof. Derya Yeşim HOPA

In this study, the physical and mechanical properties of alumina samples formed by the addition of pectin at different ratios were compared. The gel casting process was carried out in non-porous silicone molds. Three point bending strength tests and microstructure analyzes were performed to the dried samples. The dried samples were sintered at 1500 ºC and three point bending strength, porosity determinations and microstructure investigations were performed after sintering. According to the results, it was observed that the amount of CaCl2 which is the gelling agent which started the gelation together with the amount of pectin is also very important. The second series, 0.5% CaCl2, was found produced effectively by gel casting. In these samples, the highest strength value belongs to the sample containing 1.5% pectin and it is 8.61 MPa which is very close to that of the standard body (11 MPa). The physical and mechanical properties of this successful samples after firing were also investigated. When the amount of pectin is increased by more than 1.5% after firing, the open porosity increases and the apparent density values decrease. The highest bending strength was obtained by using %1 pectin. The strength value of this sample was 158 Mpa which is higher than that of standard body (118MPa). It was concluded that increased amount of pectin caused decrease in strength after increasing the porosity after firing. According to the results of microstructure analyzes, it was observed that the middle parts of the pectin containing samples were in a dense, non-porous structure and air bubbles could not be left in the edge regions. This explains the increase in open porosity with the increasing amount of pectin. In addition, for future works, it is thought that air bubble removal can be

(8)

2019, xii + 72 pages

(9)

Bu araştırmanın konusu, deneysel çalışmaların yönlendirilmesi, sonuçların değerlendirilmesi ve yazımı aşamasında yapmış olduğu büyük katkılarından dolayı tez danışman hocam Sayın Dr. Öğr. Üyesi Derya Yeşim HOPA hocama teşekkürü bir borç bilirim.

Araştırma ve yazım süresince yardımlarını esirgemeyen Prof. Dr. Meltem DİLEK’e, Dr. Öğr. Üyesi Oğuzhan ALAGÖZ’e, Arş. Gör. Dr. Nazan YILMAZ’a, Malzeme Mühendisliği bölümü Arş. Gör. Burcu KALYONCUOĞLU’na, İstanbul Ayvansaray Üniversitesi Öğr. Gör. Nur Seda ŞAHİN’e ve laboratuar teknikeri İbrahim YALÇINKAYA’ya teşekkürlerimi sunarım.

Her konuda öneri ve eleştirileriyle yardımlarını gördüğüm hocalarıma ve arkadaşlarıma teşekkür ederim.

Ayrıca Yüksek Lisans tez aşamamda, yüksek lisans bursu

sağlayan18.KARİYER.105numaralı proje ile bu çalışmayı maddi olarak destekleyen

Afyon Kocatepe Üniversitesi BAPK birimine teşekkür ederim.

Hayatım boyunca maddi ve manevi desteklerini esirgemeyen aileme saygı, sevgi ve teşekkürlerimi sunarım.

Nuriye GÖKTAŞ AFYONKARAHİSAR, 2019

(10)

ÖZET ... i

ABSTRACT ... iii

TEŞEKKÜR ... v

İÇİNDEKİLER DİZİNİ ... vi

SİMGELER ve KISALTMALAR DİZİNİ ... viii

ŞEKİLLER DİZİNİ ... ix ÇİZELGELER DİZİNİ ... xi RESİMLER DİZİNİ ... xi 1.GİRİŞ ... 1 2.LİTERATÜR BİLGİLERİ ... 3 2.1 Alümina ... 3

2.1.1 Alümina Tanımı ve Özellikleri ... 3

2.1.2 Boksit ve Mineralleri ... 7

2.1.2.1 Gibsit ... 8

2.1.2.2 Böhmit ... 9

2.1.2.3 Diasporit ... 9

2.1.3 Bayer Prosesi ... 11

2.1.4 Dünyada ve Türkiye’de Alümina ... 12

2.1.5 Alümina Bazlı Seramikler ve Kullanım Alanları ... 14

2.2 Jel Döküm İşlemi ... 18

2.2.1 Jel Dökümü İle Şekillendirme ... 18

2.2.2 Jel Döküm İşleminde Polisakkartilerin Kullanımı ... 19

2.3 Pektin ... 22

3. MATERYAL ve METOT ... 25

3.1 Materyal ... 25

3.2. Metot ... 26

3.2.1 Kullanılan Cihazlar ve Yöntem ... 26

3.2.2 Pektin Çözeltileri Hazırlama ve Reolojik Analizleri ... 29

3.2.3 Süspansiyon Hazırlama ve Standart Bünyelerin Oluşturulması ... 31

3.2.4 Pektin Kullanılan Alümina Bünyelerin Jel Döküm İşlemi ... 32

3.2.5 Sinterleme ... 34

(11)

3.3.3 Üç Nokta Eğme Mukavemeti ... 37

3.3.4 Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) ile Mikroyapı Analizleri ... 37

4. BULGULAR ... 38

4.1 Alüminanın Özellikleri ... 38

4.1.1 Hammaddenin Tane Boyutu Analiz Sonuçları ... 38

4.1.2 Alüminanın XRD Analiz Sonucu ... 38

4.2 Pektin Çözeltisinin Reolojik Sonuçları ... 39

4.3 Pektin Kullanılan Alümina Çözeltilerinin Reolojik Analiz Sonuçları ... 42

4.4 Yaş Alümina Bünyelerin Yoğunluk ve Porozite Analiz Sonuçları ... 43

4.5 Ön-Pişirim Sonrası Su Emme Analiz Sonuçları ... 45

4.6 Ön-Pişirim Sonrası Küçülme Sonuçları ... 45

4.7 Üç Nokta Eğme Mukavemet Analizi Sonuçları... 46

4.8 Alümina Bünyelerin SEM Analiz Görüntüleri ... 50

5.TARTIŞMA ve SONUÇ ... 65

6.KAYNAKLAR... 68

(12)

Simgeler

Al2O3 Alümina veya alüminyum oksit

CaCl2 Kalsiyum klorür

Al Alüminyum

Al(OH)3 Alüminyum hidroksit

TiO2 Titanyum dioksit

SiO2 Silisyum dioksit

Fe2O3 Demir oksit

H2O Su µm Mikrometre MPa Megapaskal α - Al2O3 Alfa alümina γ - Al2O3 ((NaPO3)6) NaOH Ca NaAlO2 Kısaltmalar Gama alümina Sodyum hegzametafosfat Sodyum hidroksit Kalsiyum Sodyum alüminat A1 A2 A3 A4 B1 B2 B3 B4 DM

%0.5 Pektin ve %0.3 CaCl2 içeren numune %1 Pektin ve %0.3 CaCl2 içeren numune %1.5 Pektin ve %0.3 CaCl2 içeren numune %2 Pektin ve %0.3 CaCl2 içeren numune %1 Pektin ve %0.15 CaCl2 içeren numune %1.5 Pektin ve %0.15 CaCl2 içeren numune %2 Pektin ve %0.15 CaCl2 içeren numune %2.5 Pektin ve %0.15 CaCl2 içeren numune Metilasyon derecesi HMP LMP MTA S SEM XRD

Yüksek metoksi pektin Düşük metoksi pektin

Maden Tetkik Arama Genel Müdürlüğü Standart numune

Taramalı Elektron Mikroskopu X Işınları Difraktometresi

(13)

Şekil 2.1 Alüminyum değer zinciri. ... 4

Şekil 2.2 Temel alümina ürünleri. ... 4

Şekil 2.3 Yıllara göre dünya boksit üretimi. ... 11

Şekil 2.4 Bayer Prosesi genel akım şeması. ... 12

Şekil 2.5 Ülkelere ve yıllara göre dünya alümina üretimi ... 12

Şekil 3.1 Deflokulant ve flokulant kullanılan süspansiyonlar. ... 29

Şekil 3.2 Deneysel çalışmalar şeması. ... 29

Şekil 4.1 Alümina tozu tane boyut dağılımı. ... 38

Şekil 4.2 Alümina tozunun XRD faz analizi. ... 38

Şekil 4.3 %0.5 pektin ve %0.3 ve %0.5 CaCl2 bulunduran çözeltilerin reolojik analiz grafiği. ... 39

Şekil 4.4 %1 pektin ve %0.3 ve %0.5 CaCl2 bulunduran çözeltilerin reolojik analiz grafiği. ... 40

Şekil 4.5 %1.5 pektin ve %0.3 ve %0.5 CaCl2 bulunduran çözeltilerin reolojik analiz grafiği. ... 40

Şekil 4.6 %2 pektin ve %0.3 ve %0.5 CaCl2 bulunduran çözeltilerin reolojik analiz grafiği. ... 41

Şekil 4.7 Alümina süspansiyonlarının değişen pektin miktarına göre reolojik analiz sonuçları. ... 42

Şekil 4.8 İkinci seri yaş numunelerin yığın yoğunluk grafiği. ... 44

Şekil 4.9 İkinci seri yaş numunelerinin porozite grafiği. ... 44

Şekil 4.10 Standart ve A1,A2,A3,A4 numunelerinin (Birinci seri) yaş mukavemet grafiği. ... 47

Şekil 4.11 Standart ve B1, B2, B3 ve B4 numunelerinin (İkinci seri) yaş mukavemet grafiği. ... 48

Şekil 4.12 Sinterlenmiş S, B1 ,B2 ,B3 ve B4 numunelerinin (İkinci seri) mukavemet grafiği. ... 49

Şekil 4.13 Standart numuneye ait ikincil elektron görüntüsü (200 kez büyütme). ... 51

Şekil 4.14 Standart numuneye ait ikincil elektron görüntüsü (500 kez büyütme). ... 51

(14)

Şekil 4.18 A2 numunesine ait ikincil elektron görüntüsü (500 kez büyütme). ... 54

Şekil 4.23 B1 numunesine ait ikincil elektron görüntüsü (200 kez büyütme). ... 57

Şekil 4.31 Sinterlenmiş standart numuneye ait ikincil elektron görüntüsü (150 kez büyütme) ... 61

Şekil 4.32 Sinterlenmiş B1 numunesine ait orta bölgeden alınmış ikincil elektron görüntüsü (150 kez büyütme). ... 62

Şekil 4.33 Sinterlenmiş B1 numunesine ait kenar bölgeden alınmış ikincil elektron görüntüsü (150 kez büyütme) ... 62

Şekil 4.34 Sinterlenmiş B2 numunesine ait orta bölgeden alınmış ikincil elektron görüntüsü (150 kez büyütme) ... 63

Şekil 4.36 Sinterlenmiş B3 numunesine ait kenar bölgeden alınmış ikincil elektron görüntüsü (150 kez büyütme). ... 64

Şekil 4.38 Sinterlenmiş B4 numunesine ait kenar bölgeden alınmış ikincil elektron görüntüsü (150 kez büyütme). ... 65

(15)

Çizelge 2.1 Boksit cevherinin kimyasal bileşimi. ... 7

Çizelge 2.2 Ülkelerin boksit cevheri rezerv payları. ... 8

Çizelge 3.1 Reolojik analizde kullanılan kompozisyonlar. ... 30

Çizelge 3.2 Birinci seri karışım oranları. ... 32

Çizelge 3.3 İkinci seri karışım oranları. ... 32

Çizelge 4.1 İkinci seri yaş numunelerin porozite analizi. ... 43

Çizelge 4.2 % 0.15 CaCl2 ilaveli numunelerin pişirim sonrası fiziksel özellikleri. ... 45

Çizelge 4.3 İkinci seri numunelerinin sinterleme sonrası küçülme yüzdeleri. ... 46

Çizelge 4.4 Birinci seri (% 0.3 CaCl2 kullanılması durumunda) yaş mukavemet. ... 46

Çizelge 4.5 İkinci seri (% 0.15 CaCl2 kullanılması durumunda) yaş mukavemet. ... 47

Çizelge 4.6 İkinci seri (% 0.5 CaCl2 kullanıldığında) sinterlenmiş malzeme mukavemeti ... 49

(16)

Resim 2.1 (a) İleri teknoloji seramik malzemeleri (b) Jet motoru . ... 15

Resim 3.1(a) Taramalı elektron mikroskobu (SEM), (b) Tane boyut analiz cihazı, (c) Reometre, (d) X-ışınları kırınımı cihazı (XRD………...28

Resim 3.2 (a) Pektin, (b) Jelleşmiş pektin. ... 30

Resim 3.3 (a) Alümina, (b) Jet değirmeni, (c) Alçı kalıplar, (d) Standart bünyeler. ... 31

Resim 3.4 (a), (b) Birinci seri, (c), (d) İkinci seri. ... 33

Resim 3.5 (a) Vakumlu etüv, (b) Alümina bünyeler. ... 34

Resim 3.6 (a) Alümina bünyeler, (b) Laboratuar tipi elektrikli fırın. ... 34

Resim 3.7 (a) Bünyelerin kaynatılma işlemi, (b) Arşimet terazisi. ... 35

(17)

1.GİRİŞ

Son yıllarda ileri teknoloji ürünü olarak geliştirilen seramiklerin geleneksel seramiklere göre üstün fiziksel ve mekanik özelikleri bulunmaktadır. Üstün fiziksel ve mekanik özelliklere sahip ileri teknoloji malzemesi olan seramik ürünlerin kullanım alanları oldukça geniştir. Yüksek sıcaklıklara, aşınmaya ve korozyona, asit ve bazlara karşı olan direnci, yüksek sertlik özelliği, yüksek dielektrik mukavemeti, hafifliği ve biyouyumluluk gibi birçok özelliği bulunan seramik malzemeler havacılıktan sağlık alanına, laboratuvar malzemelerinden otomotiv sektörüne ve zırh malzemeleri yapımına kadar pek çok kullanım alanına sahiptirler.

Geniş kullanım alanına sahip ileri seramik malzemeler olan alümina seramiklerin karmaşık şekillerde ve gözeneksiz olarak üretimine olanak sağlayan jel döküm yöntemi sık tercih edilen bir yöntem olmakla birlikte döküm işleminde kullanılan polimerlerin çevre ve insan sağlığına zararlı olması nedeniyle çevre dostu biyopolimerler olan polisakkaritlerin kullanımı giderek önem kazanmaktadır. Bu çalışmada, daha önce alümina jel döküm işleminde kullanılmamış bir polisakkarit olan pektin maddesinin alümina jel dökümünde kullanılabilirliği araştırılmıştır. Bu tez çalışmasında, gıda katkı maddesi olarak kullanılan düşük metoksi pektinin alümina jel döküm işleminde kullanımı araştırılmıştır. Pektin çeşitli endüstriyel meyve ve bitki atıklarından elde edilebilen, doğada ve ülkemizde oldukça bol bulunan bir polisakkarittir.

Bu çalışmada farklı oranlarda pektin ve jelleştirici ajan CaCl2 kullanımının alümina jel dökümü üzerine etkilerini araştırmak üzere iki farklı seri halinde reçeteler tasarlanmıştır. Birinci seride kütlece % 0.5-2 aralığında değişen oranlarda pektin ve kütlece%0.3 CaCl2 kullanılarak jel döküm işlemi yapılmıştır. İkinci seride ise kütlece% 1-2.5 aralığında değişen oranlarda pektin ve kütlece% 0.15 oranında CaCl2 kullanılmıştır. Jel döküm işlemi gözeneksiz silikon kalıplarda gerçekleştirilmiştir. Standart numune ise jelleştirici kullanılmaksızın alçı kalıp içerisinde şekillendirilmiştir. Üretilen bünyelerin fiziksel ve mekanik özellikleri test edilerek karşılaştırılmıştır.

(18)

Döküm sonrasında kurutulan numunelere üç nokta eğme mukavemet analizleri mukavemet cihazı kullanılarak, mikroyapı analizleri taramalı elektron mikroskobu kullanılarak gerçekleştirilmiş ve değerlendirmeler yapılmıştır. Ayrıca, seçilen yaş numunelerin porozite analizleri civa porozimetresi kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Kurutulmuş numuneler 1500 ºC' de sinterlenmiş ve sinterlenme sonrası numunelerde küçülme oranları hesaplanarak yine üç nokta eğme mukavemet testleri ve mikroyapı analizleri gerçekleştirilmiştir.Arşimet terazisi kullanılarak su emme, bulk yoğunluk, porozite tayinleri yapılmıştır.

Yapılan birinci çalışmada jel döküm işlemi gerçekleştirilemediğinden üç nokta eğme mukavemet ve mikroyapı analiz sonuçları incelendiğinde, standart numunenin mukavemet sonucu 11.97 MPa iken diğer numunenelerin en yüksek sonucu A1 numunesine ait olup 2.81 MPa’dır ve oldukça düşüktür. Mikropyapı analizleri incelendiğinde standart malzemeye göre oldukça gözenekli oldukları gözlenmiştir.

Yapılan ikinci çalışmada jel döküm işleminin gerçekleşmesi sonucunda yaş numunelere yapılan mukavemet ve mikroyapı analiz sonuçları incelendiğinde B2 numunesinin mukavemet analiz sonucunun 8.61 MPa olup standart numuneye yakın olduğu ve gözenekliliğin ise birinci serideki numunelere göre daha az olduğu gözlenmiştir.

İkinci çalışma numunelerinin sinterlenmesi durumunda yapılan üç nokta eğme mukavemet test sonuçlarının standart numuneden düşük ancak, yakın olduğu gözlenmiştir. Burada standart numunenin üç nokta eğme mukavemet sonucu 118.29 MPa%1 pektin içeren B1 numunesinin sonucu ise 158.83 MPa olup daha yüksek çıkmıştır. Yapılan mikroyapı, yığın yoğunluk ve porozite sonuçları incelendiğinde B1 numunesinin gerek standart ve gerekse diğer numunelerle kıyaslanması durumundayığınyoğunluğunun2.56 ile daha yüksek, açık porozite sonucunun ise 33.95 ile daha düşük olduğu ve mikroyapı analiz sonucunda gözenekliliğinin diğer numunelere göre çok daha az olduğu gözlenmiştir.

(19)

2.LİTERATÜR BİLGİLERİ

2.1 Alümina

2.1.1 Alümina Tanımı ve Özellikleri

Alüminyum (Al) modern dünyanın en gerekli olan metalleri arasında yer alır(Erdemoğlu et al. 2018). Tabiatta, alüminyum %8 oranıyla en çok bulunan metallerden biri olarak bilinir ve endüstride demirden sonra en geniş kullanım alanı olan metaldir. Oksijen ve silisyumdan sonra yeryüzünde en çok bulunan üçüncü elementtir (Özgün 2012). Alüminyum, oksijenle kolaylıkla bileşik oluşturabildiği için yeryüzünde her zaman oksitler halinde bulunur ve oksitli bileşikler şeklinde pek çok mineralin yapısında, kil ve boksitte yer alır (Hacıoğlu 2007). Alüminyum üretimi, alümina üretimine bağlıdır ve alümina üretimi de boksit cevherinden üretilmektedir(Özgün 2012). Yalnızca boksit cevherinin üretilmesi için uygun olan Bayer prosesinde alüminyum ve alümina üretimi yıllarca başarılı bir şekilde yapılmıştır(Erdemoğlu et al. 2018).

Dünyada alümina üretiminin%90’dan fazlası kaliteli boksit cevherlerinden Bayer metodu kullanılarak üretilir(Şahin 1999). Alümina (Al2O3), yeryüzünün %25’inde bulunan alümina, boksit mineralinin işlenmesi ile üretilir (Terzier 2011). Alüminanın büyük bir bölümü ise alüminyum üretmek için kullanılmaktadır(Girgin 1984). Bayer metodu sonucunda elde edilen alümina, boksit cevherinden gelen SiO2, Fe2O3 ve kostik soda ile olan işlemler sebebiyle NaO2 safsızlıkları içermektedir (Terzier 2011).Bayer metodu kullanılarak üretilen alüminanın hemen hemen %93’ü alüminyum üretiminde, geri kalan kısmı ise kalsine ve özel alümina üretiminde kullanılmaktadır (İnt.Kyn.1).

Doğada korund adında kristal olarak da bulunan alümina sentetik olarak üretilip alüminyum oksit olarak da isimlendirilmektedir. Endüstride çeşitli işlemlerden geçerek üretilen alüminadan(Özgün 2012)birincil alüminyum, hurdadan ise ikincil alüminyum üretilmektedir (İnt.Kyn.2).Boksit cevherinden alüminyumun üretilmesinden nihai ürünlerin oluşturulmasına kadar alüminyum değer zinciri Şekil 2.1’de verilmiştir (İnt.Kyn.3).

(20)

Şekil 2.1 Alüminyum değer zinciri (İnt.Kyn.3).

Alüminyum üretimi dışında kullanılan alüminyum hidroksit ve alümina ürünlerine özel alümina denilmektedir. Alüminyum üretimi için kullanılan boksit cevheri arıtıldıktan ve sinterleme ve kombinasyon işleminden sonra alümina kimyasalları olarak bilinen aktif alümina, kalsine alümina ve alüminyum hidroksit üretilmektedir. Boksitten elde edilen alümina ürünleri Şekil 2.2’de gösterilmektedir (İnt.Kyn.1).

(21)

İlk özel alümina, kalsine alümina olarak Alcoa şirketi tarafından aşındırıcı elde etmek için kullanılmıştır. Bundan sonra dünyanın pek çok yerinde alümina ürünleri üretimi ve kullanım alanları oluşturulmuştur. Kalsine alümina kimyasal olarak üçe ayrılırlar. Birincisi soda oranı %0.1’den fazla, alümina oranı %99 ile 99.5 arasında olan normal sodalı alümina; ikincisi düşük sodalı olarak adlandırılan soda oranı %0.1’den az, alümina oranı %99.7 olan; üçüncüsü minimum alümina oranı %99.9 olan yüksek saflığa sahip alüminalardır. Yüksek saflığı olan alüminalar hariç diğer kalsine alüminaların üretimi, Bayer metodu ile boksit cevherinin arıtılıp alüminyum hidroksit üretilmesiyle ve üretilen alüminyum hidroksite ısıl işlem uygulanmasıyla olur.Yüksek saflığa sahip alümina alüminyum içerikli tuzların sabit kalsine edicilerde veya döner fırınlarda kalsinasyonu ile üretilirler(İnt.Kyn.1).

Kalsinasyonun amacı Bayer metodu ile üretilen alüminyum hidroksitin bünyesinde bulunan kimyasal ve fiziksel suyun döner fırınlar kullanılarak ayrıştırılmasıdır (Okudan 2014).Daha sonra alüminyum hidroksiti α-alüminaya dönüştürmektir (İnt.Kyn.1).Alüminyum hidroksitin (Al(OH)3) değişimi denklemde verilmiştir (Okudan 2014).

Al(OH)3100-250˚C Al2O3.3H2O 250-490 ˚C Al2O3.H2O 490-950 ˚C γAl2O3970-1250 ˚C α-Al2O3(serbest su kaybı)

Kalsinasyonun bir diğer amacı ise farklı kimyası ve kristal boyutları olan kalsine alümina üretmektir. Bu iki amaca ulaşmak proses değişkenlerinden olan sıcaklık, atmosfer, zaman, empüriteler ve mineralleştirmek için ilave edilen bileşiklerin ayarlanması ile mümkün olmaktadır.

Kalsine alümina elde edilmesi aşamasında alüminyum hidroksit bünyesindeki soda oranı α-alümina oluşum sıcaklığını etkilemektedir. α-alümina katkı maddesi olmadan 1200˚C’de genelde 1μm’den düşük boyuttaki kristallerden oluşur. Daha yüksek sıcaklıklarda ise (>1500) kristaller büyür ve α-alümina boyutları da2-3 μm arasında olur. Düşük sıcaklıkta, kristal yapısı daha büyük α-alümina üretmek için katkı maddeleri eklenir ve bunlar mineralleştirici olarak adlandırılır. Bunlar bor asitleri ya da

(22)

tuzlar, klorin ya da florinlergibi kimyasallardır.Bu mineraller kalsine proseslerine ilave edildiklerinde,10-20 μm boyutlarında hegzagonal yapıya sahip plakaya benzeyen α- alümina kristalleri üretilebilmektedir.

Yüksek saflıktaki alüminalar da alüminyum hidroksitten üretilir. Bunun için bir çok proses kullanılmaktadır. Genelde alüminyumun yüksek saflıkta olan formlarından ve kristal yapılı alüminyum tuzlarından üretilir(İnt.Kyn.1).

Dış görünüş olarak beyaz bir toz olan alümina, oksijen iyonlarının alüminyum iyonları tarafından hegzagonal olarak sarılması ile kristal yapıda oluşur. Kaynama noktası2080˚C ve erime sıcaklığı 2050 ˚C olan alümina yüksek sıcaklıklara dayanabilen bir malzemedir. Molekül ağırlığı 101.96 g/mol, oluşum serbest enerjisi ise -1582.4 kj/mol, reaktif indeksi ise 1.765’tir. İyi kalsine olmuş alümina suda ve mineral asit ve bazlarda çözünmezler. Redükleyici ve oksitleyici ortamda 1900˚C’ye kadar kullanılabilir ve 1700–1800 ˚C gibi yüksek sıcaklıklarda flor gazı dışındaki gazlara karşı direnç gösterir.

Alüminanın bazı özellikleri şu şekildedir. - Termal şokdirenci

- Yüksek sertlik

- Yüksek sıcaklıklarda refrakterlik -Yüksek basma mukavemeti - Abrasif aşınmaya direnç - Biyouyumluluk

- Kolay hammadde üretimi

- Çok geniş bir aralıktaki direnç (hatta yüksek sıcaklıklarda) - Yüksek dielektrik mukavemeti

- Yüksek sıcaklılarda yüksek elektriksel direnci

- Mikrodalga radyo frekanslarını geçirgenliği(Yürüyen 2011).

Alümina, seramik malzemesi olarak bilinir ve bazı safsızlıklar bulunduran alüminaya ise zımpara taşı denmektedir. Düşük sıcaklıklarda farklı yapıda ve formda bulunan

(23)

alümina sıcaklık 750-1200 0_{Carasında iken α-alümina formuna dönüşür ve ticari} kullanım alanına sahip olan alümina çeşidi de α-alüminadır.

Alümina üretim yöntemlerini; Avrupa ve Amerikan Bayer yöntemi,elektrotermik,alkali ve asidik yöntemler, kavurma ve indirgeme yöntemleri ve bayer yöntemi olarak sıralayabiliriz. Ancak dünyada hala ticari alümina üretiminin çoğu Bayer prosesi ile gerçekleştirilmektedir(Terzier 2011).

2.1.2 Boksit ve Mineralleri

Boksit cevheri alüminanın hammaddesidir ve alümina üretmek için Bayer metodu kullanılmaktadır (Erdemoğlu et al. 2018). İsmini Fransa’nın Le Baux kasabasında bulunan maden yataklarından alan boksit cevheri (Özgün2012). 1821 yılında M.Pierre Berthier tarafından bulunmuştur(İnt.Kyn.1). Dünyada farklı minerallere sahip olan ve bol bulunan alüminyumun hammaddesi olan boksit cevherinin temel bileşenleri Al2O3.2H2O ya da Al2O3.nH2O olarak gösterilir ve boksit bünyesinde alüminyum oksitten başka demir, titanyum ve silisyum oksitler de vardır. Boksit cevherinin kimyasal bileşimi Çizelge 2.1’de verilmiştir.

Çizelge 2.1 Boksit cevherinin kimyasal bileşimi.

Bileşen Miktar (%) Al2O3 38-65 TiO2 0.5-8 SiO2 0.5-12 Fe2O3 3-30 H2O 10-34

Boksit cevherinin kimyasal bileşimi her birinde farklı olup çıkarıldıkları yere göre değişiklik göstermektedir. Boksit cevheri bünyesinde bulunan farklı minerallerden dolayı farklı renklerdedir. Örnekverecek olursak bünyesinde demir bulunduran boksit cevheri kırmızımsı renkte olmaktadır. Ergime sıcaklığı 2093 K civarında olup özgül ağırlığı 2.5 – 3.5 g/cm3 _{ve sertliği 1 – 4 mohs’tur(Özgün 2012). Boksit yeryüzünün} kazılması ile elde edilir ve açık ocak işletmeciliği ile yeraltı madencilik sistemleri

(24)

kullanılarak üretilir (Kalkınma Planı-8.Beş Yıllık 2001). Üretilen boksit cevherinden 4.5 ton kullanılarak 2 ton alümina, bundan da 1ton alüminyum üretilebilmektedir (Günay 2006).

Alümina ve hidratları ise beyaz renktedir. Boksit minerolojik bileşimlerine göre üçe ayrılır.

Gibsitik (Al2O3.3H2O) Boksitler Böhmitik (Al2O3.H2O) Boksitler

Diasporitik (Al2O3.H2O) Boksitler(İnt.Kyn.2).

Farklı bölgelerde bulunan boksitler karşılaştırıldığında aralarında büyük farklar bulunmaktadır (Şahin 1999). Dünyada farklı tiplerde boksit rezervi olan bazı ülkelerin rezerv miktarları ve toplam rezerv miktarına oranları aşağıdaki çizelge 2.2’de verilmiştir (İnt.Kyn.5).

Çizelge 2.2 Ülkelerin boksit cevheri rezerv payları.

Ülke Boksit Tipi Rezerv

(yüz milyon ton)

Dünya toplam rezervi içindeki payı (%) Avustralya Gibsit,böhmit 87 26.37 Gine Gibsit 86 26.06 Brezilya Gibsit 29 8.79 Jamaika Gibsit 25 7.58 Çin Diasporit 23 6.97 Hindistan Gibbsit 14 4.25 2.1.2.1 Gibsit

Alüminyum içeriği zengin olan mineraller olan feldispat, nefelin ve korund gibi minerallerin bozunmasıyla oluşan gibsit olarak da adlandırılan gibsitik boksit, formül olarak (Al2O3.3H2O) ya da γ - Al2O3.3H2O diye adlandırılan, hegzagonal ve kristal yapıda olan γ - alümina trihidrattır.

(25)

Özgül ağırlığı 2.3 – 3.4 g/cm3 _{olup sertliği 2.5–3.5 mohs arasında olan boksit cevher} çeşididir. Gibsitik boksit ısıtıldığında kademeli olarak içeriğinde bulunan kristal suyu bünyesinden uzaklaştırılmaktadır. Bünyesinde üç mol olan suyun iki molü 583-603 K sıcaklık aralıklarında bir reaksiyonla, 803–823 K aralığında ise kalan bir mol suyun büyük kısmı farklı bir reaksiyonla uzaklaştırılmaktadır. Kalan kristal suyu bir molden çok daha azdır ve 873 K sıcaklıktan sonra geniş zaman ve sıcaklık aralıklarında uzaklaştırılmaktadır. Sıcaklık arttıkça gibsitin dehidrasyon ürünleri de farklılık göstermektedir. Sıcaklık 603K olduğunda böhmit ve γ - alümina karışımı, 823 K olduğunda büyük oranda γ – alümina, 1203 K’ni geçtiğinde α- alümina elde edilmektedir. Gibsitik boksitin kristal suyunun uzaklaştırılmasından dolayı özgül yüzey alanı artmıştır ve kullanım alanı yaygınlaşmıştır (Özgün 2012).

2.1.2.2 Böhmit

Doğada genel anlamda demir mineralleri ile birlikte bulunan böhmit ortorombik kristal yapıdadır. Demir mineralinden dolayı değişen kahve renklerinde bulunmaktadır. Sertliği

3.5 – 5.0 mohs, özgül ağırlığı 3.0 – 3.2 g/cm3 olan böhmit, bileşimi γ - Al2O3.H2O şekilde

bir γ - alümina monohidrat’tır.

Doğada mineral olarak da bulunan böhmit, gibsitin dehidrasyonu ile de üretilmektedir. Gibsitik boksitin 603 K üzerinde dehidrasyonu ile böhmitik boksite dönüşümüne benzer özelliktedir. 803 – 823 K ‘de yukarıdaki Çizelge 2.3' de görüldüğü gibi ikinci reaksiyon gerçekleşmektedir ve suyun büyük bir bölümü uzaklaştırılmaktadır. Gibsitte olduğu gibi daha yüksek ve geniş sıcaklık aralıklarında çok az kalmış olan kristal suyu uzaklaştırılmaktadır. Yine gibsitte olduğu gibi 1203K sıcaklık üzerinde α - Al2O3oluşmaktadır (Özgün 2012).

2.1.2.3 Diasporit

Kimyasal yapı olarak böhmite benzer yapıdadır fakat; kristal yapı olarak farklılık göstermektedirler. Diasporit, ortorombik kristallerden oluşanα-alümina monohidrat (α - Al2O3.H2O) yapısındadır. Böhmitin hafif metamorfizma vediyajenez ile değişmesi sonucu oluşmuştur. Diasporitin sertlik değeri 6.5 – 7.0 mohs olup diğerlerine göre çok yüksektir.

(26)

Diasporit zımpara ve korundla berabergranüler kil taşları ve dolomit ya da kristal sistlerin içerisinde bulunmaktadır. Diasporitik boksitler 803–823 K aralığında bir sıcaklıkta kalsine edildiklerinde böhmittekine benzer şekilde kristal suyu uzaklaşır ve boksitte büyük bir ağırlık azalması olur. Sıcaklık yükseldikçe boksitte bulunan çok aza miktardaki kristal suyu

yavaş yavaş uzaklaşır. 823 K sıcaklıktan sonra boksit α - Al2O3halini alır ve diğerlerinde

olduğu gibi yüzey alanı artar.

Boksit gibsit, diasporit ve böhmit dışında bazı oksitler bulundurmaktadır. Demir, kalsiyum ve silisyum oksit, titanyum dioksit yanında kükürt, fosfor, çinko, nikel gibi safsızlıklar da barındırmaktadır (Özgün 2012).

Türkiye’de bulunan boksit rezervi dünyada bulunan toplam rezervin 1.8’ini oluşturmakta ve MTA' nın açıklamasına göre 68.91 milyon yon boksit rezervi bulunmaktadır.2010 yılında dünya boksit rezervi 38 milyar ton’durve o yılda dünyadaki boksit üretimi 214 milyon ton olmuştur (İnt.Kyn.3).

Boksit kaynağı olmayan ülkeler ithal boksitle alümina ve alüminyum ihtiyacını karşılamaktadırlar. Bu konuyla ilgili ilginç durumlarla karşılaşılmaktadır. Hiç boksit cevheri olmamasına rağmen alüminyum üretiminde önde gelen ülkeler vardır. Örnek olarak Kanada, tamamen ithal hammaddeye dayalı alümina elde etmektedir.

Boksit cevherinin sınırlı olması veya bazı bölgelerde olmaması, boksit dışı kaynaklardan alümina üretimi için bilimsel çalışma yapılmasına neden olmuştur. Bunun için doğada yaygın olarak bulunan, yüksek alüminyum oranına sahip olan ve diğer kaynaklara göre üretim yöntemleri daha ucuz ve kolay olan kil minerali en uygun alümina hammaddesi olarak görülmektedir. Bunun dışında alunit, nefelin, siyenit gibi malzemelerde hammadde kaynağı olarak bilinmektedir (Erdemoğlu et al. 2018).

(27)

Şekil 2.3 Yıllara göre dünya boksit üretimi (İnt. Kyn.3).

2.1.3 Bayer Prosesi

Bayer prosesi 19. yüzyılın sonlarında geliştirilmiş bir yöntemdir. Bu yöntemi, saf alümina (Al2O3) üretmek için Karl Josef Bayer geliştirmiştir veBayer prosesi adıyla günümüze kadar neredeyse hiç değişmeden gelmiştir.

Önceleri tekstil alanında kullanılmak için geliştirilen Bayer prosesi boyanan pamuk ipliklerinin rengini sabitleştirmek için kullanılmıştır(Okudan 2014). Bayer prosesinde istenilen boyutlarda kırılan boksit cevheri değirmende öğütülerek ham pulp oluşturulur. Bu karışım yüksek basınç ve sıcaklıkta NaOH ile reaksiyona sokularak sodyum alüminat (NaAlO2) çözelti şeklinde silis, demir, titanyum gibi safsızlıkların olduğu sıvı faza alınır ve daha sonra çöken atıklar kırmızı çamur olarak adlandırılır.

Bu atıklardan tamamen arındırılan NaAlO2 başka tanka gönderilir ve burada alüminyum hidroksit (Al(OH)3) kristali olarak çöktürülür. Bu çökeltinin fırınlarda kalsine edilerek 1100-1200°C’de suyu uzaklaştırılır. Bu işlem sonunda alümina elde edilir(Terzier 2011). Üre ti m (To n) gkglşj Üretim Yılları

(28)

Bayer prosesinin genel akım şeması Şekil 2.4.' de gösterilmektedir.

Şekil 2.4 Bayer Prosesi genel akım şeması (Okudan 2014).

2.1.4 Dünyada ve Türkiye’de Alümina

Türkiye’de boksit cevheri 1938’den önce bilinmiyordu. MTA 1938 senesinde Antalya’nın Akseki bölgesinden numuneler alıp incelemiştir ve 1962-1965yılları arasında sondaj çalışmaları yapmıştır. Türkiye’de 60 milyon ton boksit rezervi tespit edilmiştir. Bu çalışmaların sonucunda böhmitik tipte olan Konya Seydişehir boksitlerinin yeterli rezerve sahip olduğu görülmüş ve bu bölgede birincil alüminyum üretebilmek için tesisler kurulabileceği düşünülmüştür (Yürüyen 2011). Ülkemizde Seydişehir-Akseki bölgesini yanında Yalvaç-Sarkikaraağaç, Zonguldak-Kokaksu, Muğla-Milas-Yatağan, Alanya, Bolkardağı, Tufanbeyli-Saimbeyli bölgeleri de bulunmaktadır (Günay 2006).

Alüminyum oksite alümina adı 1876’da De Mervea tarafından verilmiştir. Daha önceleri Romalılar büzücü ve kan durdurucu maddelere alümen adını vermişlerdir. Bu kelime ingilizceye alumina olarak geçmiştir ve halen bu şekilde kullanılmaktadır.

İlk 1888’de Fransız Herault ve Amerikan Hall’ın geliştirdikleri yöntemle birincil alüminyum üretimi gerçekleştirilmiştir. Endüstriyel alümina üretiminin çoğunda halen

(29)

bu yöntem kullanılmaktadır ve bu kriyolit alümina (Na3AlF6-AlO3) elektrolizine dayanmaktadır. Son 25 yılda alüminyum kullanımı yaygınlaşmıştır. Alüminyum alaşımlarının dayanıklılığı ve bu dayanıklılığın alüminyumun ağırlığına oranla daha fazla olması en önemli özelliğidir. Boksit cevherinin çok olduğu ülkeler Jamaika, Avusturya, Brezilya, Gine olarak bilinmektedir.

Son yıllarda Bayer metodundan faydalanarak üretim yapan endüstriyel işletme sayısı artmıştır. Dünyada hemen hemen 40 ülkede kurulmuş olan alümina tesislerinde Bayer metodu ile üretilen alüminadan alüminyum üretmek için Hall-Herault elektroliz metodu kullanılmaktadır ve daha kaliteli ve ucuz olan alüminyum üretimi yapılmaktadır.

Türkiye’de alüminyum tüketimi diğer ülkelere göre daha düşüktür. Kişi başına Avrupa’da 13kg, Amerika’da 27 kg olan alüminyum tüketimi ülkemizde 3 kg’dır. Boksit cevheri üretimi açık ocak işletmeciliği ile yapılmaktadır. Latin Amerika ve Avustralya en büyük boksit üreticisi olarak bilinmektedir(Yürüyen 2011).

Alümina genelde boksit cevherinin çıkarıldığı yerler ve yakın çevrelerinde elde edilmektedir. Belli yerlerde çıkarılan boksitin hemen hemen üçte biri üretilen alüminanın ise yarısına yakını dünya ihtiyacını karşılamaktadır. Batı Avrupa ve Kuzey Amerika gibi alüminyum üreticisi olan ancak boksit bulunmayan ülkelere gönderilmektedir. Ancak bu durum da maliyetinin artmasına neden olmaktadır. Alümina üretiminin yapıldığı bazı ülkeler ise Avustralya, Guyana, Brezilya,Venezuela ve Surinam’dır (İnt. Kyn.4).

Dünyada alümina üretimi 2010 senesinde 82.000.000 ton’dur. Aynı yıl Çin 29.000.000 ton alümina üretmiştir ve alümina üreten ülkeler arasında birinci konumda yer almıştır. 20.700.000 ton ile Avustralya, 17.300.000 to ile Güney Amerika, Çin’den sonra alümina üretiminde ikinci ve üçüncü sırada yer almaktadırlar. Dünyadaki toplam alümina üretiminin %72’sini bu üç ülke yapmaktadır (İnt.Kyn.3). 2015 yılına gelindiğinde dünya alümina üretimi115.247.000 ton olmuştur(Erdemoğlu et al. 2018).

(30)

Şekil 2.5 Ülkelere ve yıllara göre dünya alümina üretimi (İnt. Kyn.3).

2.1.5 Alümina Bazlı Seramikler ve Kullanım Alanları

Alüminyum metali üretmek için sentetik olarak üretilen alümina; refrakter, pigment, seramik eldesinde, kimyasal katkı maddesi ve katalizör gibi malzemelerin üretiminde ve pek çok alanda kullanılmaktadır (Özgün 2012).Alüminyum üretmek için alüminanın %90’dan çoğu kullanılmaktadır. Düşük yoğunluk, korozyona karşı dayanımı, yüksek sertlik ve yüksek sıcaklığa karşı direnci alümina tüketiminin yaygınlaşmasına sebep olmaktadır (Yürüyen 2011). Bunun yanında kaplama ve ileri seramikler gibi bir çok mühendislik alanında kullanıldığı için en kullanışlı oksit seramiklerindendir. Bunun nedeni alüminanın sert olması, bazlara ve asitlere karşı dirençli olması, çok yüksek sıcaklık uygulamalarına izin vermesi gibi mükemmel özelliklere sahip olmasındandır.

Alüminanın inert bir malzeme olması, oda sıcaklığında sıradan kimyasallarla reaksiyona girmemesi gibi özelliklerindendir. Bu özellikler alüminayı havacılıktan tıbbi implantlara ve sağlık hizmetlerine kadar çeşitli uygulamalar için akıllı bir malzeme haline getirmektedir (Saini et al.2013). Alümina seramiklerin ticari olarak kullanımı ve üretimi 20. yüzyılın başlarında olmuştur. Son yıllarda ise yüksek sıcaklıklara dayanıklı toklaştırılmış alüminalar üretilmektedir. Alümina ticari anlamda ilk olarak laboratuvar malzemeleri ve buji yapımında kullanılmıştır (İnt.Kyn.7).Alüminalar yüksek saflık

Üre

ti

m

(To

(31)

derecesine sahiptirler. Aşınmaya karşı yüksek dirençli olan alümina, mekanik dayanımı ve sert oluşundan dolayı tekstil endüstrisinde kullanılan kesici takımlarında ve öğütücü olarak kullanılan değirmenlerin bilyelerinin üretimi için kullanılmaktadır. Üstün özelliklerinden dolayı otomobil soğutma sistemlerinde, roket radonlarında, ısıtma sistemlerinin sirkülasyon pompalarında ve zırh malzemesi olarak da kullanım alanı bulunmaktadır.

Resim 2.1 (a) İleri teknoloji seramik malzemeleri, (b) Jet motoru (İnt.Kyn.6).

Askeri uygulamalarda bazı yüzeylerin balistik dayanımını arttırmak için alümina seramik plakalar kullanılır. Yoğun ve poroz ürünler elde edilen alüminanın ergitilmesi ile poroz ürün elde edilir. Poroz alümina daha saftır ve saf olan alümina bazı cihazlarda tam anlamıyla saydam bir malzeme olarak kullanılmaktadır. Bu özelliğinden dolayı biyomalzeme olarak diş ve eklem protezlerinde kullanılmaktadır (Yürüyen 2011).Bir çok alan için ideal bir malzeme olan alümina seramiklerin, otomotiv endüstrisinde, katalitik yüzeylerde, elektronik yüzeylerde, çeşitli mekanik aşınma parçalarında ve bujilerde uygulama alanları vardır. Otomobiller; valf plakaları, oksijen sensörleri gibi parçalar,elektronik yüzeyler ve göstergeler, katalitik konvertörler, filtreler gibi pek çok malzeme bir dizi seramik içerir (İnt. Kyn.8).

Alümina, alüminyum hidroksitlerin Bayer prosesinde kristal suyunun uzaklaştırılması için uygulanan kalsinasyon işlemleri için bir çok ara fazdan sonra alfa ve gama olarak, kristal ve kararlı bir yapıya sahip iki farklı forma ulaşır. Sıkı hegzagonal sistem ve kristal yapıya sahip olan alfa alüminanın(α-Al2O3) ergime sıcaklığı 2053 °C’ dir.

(32)

(Yürüyen 2011). Pek çok çeşit alümina olmasına rağmen α-Al2O3 ticari kullanım alanına sahiptir. Alümina seramik özellikleri içerdikleri alümina oranı artıkça iyileşir. Seramiklere alümina katkı yapılmasını nedenleri şu şekildedir;

-Üretim koşullarına karşı parça boyut toleransını arttırarak üretimi kolaylaştırmak, -Sinterleme sıcaklığını düşürmek,

-Ucuz ve düşük saflıkta alümina kullanmak,

-Preslemede şekillendirme reolojisini kolaylaştırmak, -Son parça özelliklerini iyileştirmektir.

Alüminyum üretmekte olan Seydişehir tesislerinde elek altı diye biline alümina alfa yapısına dönüşmediğinden ve Na oranı yüksek olduğundan seramik üretimi için kullanılmamaktadır (Yürüyen 2011).

Alüminanın mekanik uygulamalarında %0.5 ‘e kadar Na2O içeriğine izin verilmektedir. Na2O içeriğinin fazla olması endüstriyel kullanım için kısıtlayıcı bir faktördür (Anand 2014).

İleri teknoloji seramikler, metallerde olduğu gibi değişik yöntemlerle şekillendirilirler. Öncelikle reaksiyon yüzeyini arttırarak sinterlemeyi kolaylaştırdığı için çok ince olan seramik tozları tercih edilmektedir. Bunun yanında mukavemeti ve plastisiteyi arttırmak, sinterlemeyi kolaylaştırmak için bağlayıcı olarak reçineler, inorganik (kil vb.) ve organik (poli vinil alkol vb.)malzemeler kullanılmaktadır.Flokülasyonu önlemek içinse deflokülantlar kullanılmaktadır.Bağlayıcılar seramik malzemeye sağlamlık kazandırarak şekillendirmenin kolaylaşması ve sinterleme işlemleri sırasında malzemenin bozulmamasını sağlar. Bunlardan inorganik bağlayıcılar seramik yapısında kalırken organik bağlayıcılar yanarak malzemeden uzaklaşır.

Seramik malzemelerin şekillendirilmesinde kullanılan yöntemler şu şekildedir; - Kuru presleme

-Sıcak izostatik presleme -Yarı yaş şekillendirme

(33)

- El tornasında çevirme - Presleme

-Yarı otomatik tornalar - Soğuk izostatik presleme - Enjeksiyon

- Yaş şekillendirme (slip döküm) - Serbest şekillendirme

- Deri sertliğinde şekillendirme - Ekstrüzyon

- Otomatik tornalar

- Plazma sprey teknolojisiyle ile şekillendirme -Şerit Döküm (Çalışkan 2016).

Döküm yöntemlerinden biri olan slip döküm metallerin şekillendirilmesinde kullanılan bir döküm yöntemidir, fakat teknolojinin gelişmesi ile birlikte seramiklerin şekillendirilmesinde de kullanılmaktadır (Omatete et al. 1996). Çünkü nispeten yüksek yoğunluklu ve düşük maliyetli seramik malzemeler üretilebilir. Bu döküm yönteminde kullanılan bağlayıcı maddeler besleme malzemesine plastisite ve şekillendirme sağlar. Bazıları suda bazıları organik sıvılarda çözünen birçok bağlayıcı vardır. Bu bağlayıcılar seramik gövdeye sağlamlık katmak için kullanılır. Bağlayıcı madde parçalar arasında köprü oluşturarak taze ürünlerin kolayca dökülmesini sağlar. Bulamaçtaki bağlayıcı miktarı, homojen ve floküle edilmiş bulamacın reolojik özelliklerini ve aynı zamanda yoğunluk ve mekanik mukavemeti de etkiler(Anand 2014).

Slip döküm işleminde çeşitli seçenekler kullanılmaktadır. Bu seçenekler şu şekildedir; 1. Boşaltma döküm

2.Çok parçalı bir kalıba basit döküm 3. Katı döküm

4.Tek parçalı bir kalıba basit döküm 5. Basınçlı döküm

6. Vakumlu döküm 7. Savurma döküm

(34)

8. Çözünebilir kalıba döküm 9. Mandrelli kalıp içerisine döküm 10. Jel döküm(İnt.Kyn.9).

2.2 Jel Döküm İşlemi

2.2.1 Jel Dökümü İle Şekillendirme

Jel döküm prosesi, kompleks şekilli seramik malzemelerin üretiminde avantaj sağlayan bir şekillendirme yöntemidir (Munro et al.2011). Yaş şekillendirme proseslerinden çamur döküm işlemi de kompleks şekilli malzemelerin şekillendirilmesinde kullanılabiliyor olsa da yüksek kalınlıklı parçaların üretiminde yoğunluk değişkenlikleri, bağlayıcı ve inorganik iyonlar gibi çözünür maddelerin heterojen dağılımı ve tanecik segregasyonu gibi problemler yaşanmaktadır (Tari 2016). Yüksek yoğunluklu alümina seramiklerin üretiminde jel-döküm prosesi yaygın olarak kullanılmaktadır (Tong and Chen 2004, Studartet al. 2002).

Jel-döküm işlemi, 1990' lı yılların başında Profesör Omatete ve araştırma grubu tarafından dünyaya tanıtılmıştır. Esasen, seramik tozlarının su bazlı bir monomer çözeltisi içerisinde dağılması ve sonrasında bir başlatıcı ve katalizör etkisiyle karışımın katılaşması sonucunda istenilen şekli alması esasına dayanmaktadır. Geleneksel jel-döküm prosesi yüksek mukavemetli yaş bünye üretimine olanak tanımaktadır ve bu sayede yaş bünyeler işlenebilmektedir..Ancak, geleneksel jel-döküm yönteminde kullanılan akrilamid monomeri nörotoksik bir kimyasal olduğundan araştırmacılar alternatif polimerlerin arayışı içerisindedir (Jiaa et al.2003).

İlk jel döküm işlemi, çok fonksiyonlu akrilat monomerlerinin organik çözücüler içinde çözülmesiyle geliştirilmiştir. Bu monomerler, serbest radikal başlatıcılar tarafından polimerize edildiklerinde, yüksek ölçüde çapraz bağlanmış polimer çözücü jeller oluşturdular.Seramik tozu bu organik çözelti içinde bulamaç haline getirildiğinde, bir kalıba döküldüğünde ve polimerize edildiğinde, seramik tozu kalıbın şeklini almıştır.Yaş bünye havayla kurutularak, bünye tam yoğunlukta sinterlenmiş ve bağlayıcı yakılmıştır. Bu şekildejel döküm konsepti başarılı bir şekilde kanıtlanmıştır.

(35)

Çevresel sorunların öngörülmesi ve organik çözücünün giderilmesinin ek maliyetleri ve çoğu seramikçinin suda çalışmayı tercih etmesi nedeniyle, çözücü olarak su kullanımı için çaba gösterilmeye başlanmıştır.

Suda çözünür monomerler arayışı, biyoteknolojide jel elektroforezi için kullanılan akrilamid jel sistemine neden olmuştur. Akrilamid sistemi mükemmel sonuçlar vermiştir ve standart jel döküm sistemi haline gelmiştir.(Omateteet al.1996).

2.2.2 Jel Döküm İşleminde Polisakkartilerin Kullanımı

Günümüzde alümina seramiklerin üretiminde, jel-döküm prosesinde kullanılmak üzere insan sağlığına ve çevreye zararlı olmayan doğal polimerlerin kullanımına yönelik çok sayıda araştırma yapılmaktadır.

Çalışmalarda kullanılan doğal polimerlerden bazıları hayvansal kaynaklı olan yumurta beyazı proteini ve jelatindir (He et al. 2011, Chen et al. 1999). Bo Su ve arkadaşları (2010), alüminanın jel döküm işleminde yumurta beyazı proteini kullandıkları çalışmalarında sinterleme sonrası küçülmeyi %15 ve 3-nokta eğme mukavemetini 314 Mpa olarak tespit etmişlerdir (He et al. 2011). Chen ve arkadaşları (1999), jelatini kullanarak alümina bünyenin jel döküm ile üretildiği çalışmalarında, sinterleme sonrasında %15 oranında küçülme ve 304.5 Mpa mukavemet (3-nokta eğme) değerlerini gözlemlemişlerdir (Chen et al. 1999).

Alümina seramiklerin jel döküm işleminde kullanılmış olan bitkisel kaynaklı polimerler ise polisakkarit türevleridir. Bugüne kadar pektin polisakkaritinin alümina jel dökümünde kullanıldığı bir çalışma yapılmamıştır. Çalışmalarda kullanılan polisakkaritler; agar, karragenan, alginat, keçi boynuzu gamı ve nişasta olmuştur. Bu polisakkaritleri içeren sistemler ile alümina jel döküm bünyeler üretilmiş ve karakterize edilmiştir (Olhero et al.2000, Chenhui et al.2008).

Agar ve keçi boynuzu gamını bir arada kullanarak alümina jel döküm gerçekleştirilmiş ve yaş bünye, bağlayıcı uzaklaştırılmış bünye ve sinterlenmiş bünyelerin küçülme ve yoğunluk değerleri incelenmiştir. Çalışmada hem polisakkarit çözeltilerinin hem de

(36)

polisakkarit içeren farklı katı oranlarına sahip alümina süspansiyonlarının reolojik ölçümleri gerçekleştirilerek jelleşme davranışları analiz edilmiştir. Polisakkaritlerin karışımı agar/keçi boynuzu gamı=80/20 olacak şekilde sabit tutulmuştur. Bu çözeltiden %0.5; %1 ve %2 oranlarında kullanılmış ve katı içeriği hacimce %30,%40 ve %50 olan üç farklı alümina süspansiyonu üzerinde denemeler yapılmıştır. Bu polisakkaritlerin jelleşme mekanizmasının önce sıcak su içerisinde çözünme ve daha sonra soğuma sırasında jelleşme olduğu bilinmektedir. Bu nedenle tüm süspansiyonlar 60 ºC' de hazırlanmış ve aynı sıcaklıkta gözeneksiz kalıplara dökülmüştür. Döküm işleminden sonra oda sıcaklığında soğutulmuştur. Bağlayıcı uzaklaştırma 500 ºC' de ve sinterleme 1600 ºC' de yapılmıştır. Çalışmanın sonuçlarına göre, yaş bünyelerin ve bağlayıcı uzaklaştırma sonrası elde edilen bünyelerin küçülme ve yoğunluk değerlerinin neredeyse aynı olması nedeniyle bağlayıcı uzaklaştırma işlemine gerek olmaksızın üretim yapılabileceği görülmüştür.

Bu çalışma ile, bu iki polisakkaritin sinerjik etkisiyle yeterince güçlü jeller oluşturulabildiği ve bu sistemin alümina jel döküm işlemi için yeterli olduğu görülmüştür. Çalışmada erişilen en yüksek pişmiş yoğunluk (%teorik yoğunluk) %92.2 olmuştur (Olhero et al. 2000).

Millan ve arkadaşları (2002), karragenanın alümina bünyelerin jel döküm işleminde kullanımını araştırdıkları çalışmada, öncelikle farklı konsantrasyonlara sahip ( kütlece. %1, 2, 3 ve 4) karragenan çözeltilerinin sıcaklığa bağlı olarak reolojik davranışlarını incelemişlerdir. Bu çalışma ile çözünme ve jelleşme sıcaklıkları tespit edilmiştir. Karragenan çözeltilerinin 60 ºC gibi su için buharlaşmanın fazla olmadığı bir sıcaklıkta tam olarak çözündüğü ve 35 ºC gibi oda sıcaklığının üzerinde bir sıcaklıkta jelleştiğini tespit etmişlerdir. Jelleşme sıcaklığının oda sıcaklığının altında olmaması, jelleşme için dondurma işlemine gerek bırakmayarak bir diğer avantajlı durum olmuştur.

Çalışmada ağırlıkça %80 oranında alümina içeren süspansiyona ağırlıkça %0.25 karragenan eklenerek çelik kalıplara dökülmesi ve jelleşme için soğutulması sonrasında elde edilen yaş bünye %58.2 teorik yoğunluğa sahiptir. Yaş bünye, 1500 ºC' de 2saatlik pişirim sonrasında %98.2' lik teorik yoğunluğa erişmiştir. Toksik olmayan ve çok ucuz

(37)

olan karragenanın yüksek yoğunluklu alümina seramiklerin üretimine uygun olduğu görülmüştür (Millan et al. 2002).

Xie ve arkadaşları (2001), sodyum alginatın alümina jel döküm prosesinde kullanımını araştırdıkları çalışmada, sodyum alginatın jelleşmesi için +2 değerlikli katyon kaynağı olarak Ca+2 'yi kullanmışlardır. Öncelikle birçok kalsiyum kaynağı tuz içerisinden, 60 ºC gibi sodyum alginatın da çözündüğü yüksek sıcaklıklarda sudaki çözünürlüğü yüksek olan tuzu (Ca(IO3)2. 6H2O) belirlemişlerdir. Bu şekildeki çözünürlük davranışı, jel döküm prosesinde Ca+2 _{katyonlarının çözeltiye daha yavaş şekilde verilmesini ve} böylelikle döküm prosesini kontrollü bir şekilde yapmaya olanak tanımaktadır. Çünkü döküm ve kalıptan alma işlemleri için belirli bir süreye ihtiyaç duyulmaktadır, çok ani jelleşme ve katılaşma istenmez.

Çalışmadaki dikkat çekici olan bir diğer nokta zeta potansiyeli ölçüm sonuçlarıdır. Oda sıcaklığında, tek başına alümina süspansiyonunun izoelektrik noktası pH 6 iken, alginat ilavesiyle pH 2.1' e düşmüştür. Bu durum, oda sıcaklığında dahi alümina partikülleri yüzeyine sodyum alginat absorpsiyonunu ve çift tabaka kalınlaşmasını göstermektedir. Yapılan viskozite ölçümleriyle alginat, kalsiyum tuzu beraberinde alümina süspansiyonunun 60 ºC' de jelleştiği tespit edilmiştir. Jelleşme mekanizmasını anlamak açısından bu çalışma önemlidir (Xie et al 2001).

Jia ve arkadaşları (2002), iki farklı çalışmada yine sodyum alginatın alümina jel dökümünde uygulanmasını incelemişlerdir. Bu çalışmalarında, jel döküm işlemini bir jelleştirici ajan yardımıyla daha kontrollü ve son ürün kalitesini artırma yönünde kullanmışlardır. Kullanılan jelleştirici ajanın ((NaPO3)6) jelleşme süresini ani oluşumdan 18 dakikaya çıkararakkontrollü bir jelleşme sağladığını tespit etmişlerdir. Bu şekilde, sodyum alginat ile gerçekleştirilen jel döküm işleminin endüstriyel uygulanabilirliğini artırmayı hedeflemişlerdir. Çalışma sonucunda kuru küçülme %15.7 ve kuru mukavemet 8 MPa olarak; 1600 ºC' de sinterleme sonrası son ürünün teorik yoğunluğu %98.7 ve pişmiş mukavemet değeri 320.4 MPa olarak tespit edilmiştir.

(38)

Alüminanın jel döküm işleminde kullanılmış olan bir diğer polisakkarit ise modifiye nişastadır. Minatti ve arkadaşları (2008), modifiye nişastayı jelleştirici olarak kullandıkları proses ile alümina jel döküm bünyeleri üretmişlerdir. Çalışmada hacimce %55 katı içerikli alümina süspansiyonuna ağırlıkça %0.5 oranında modifiye nişasta ilave ederek üretilen alümina bünyelerin sinterleme sonrası %93 teorik yoğunluğa ve 325 MPa mukavemete sahip olduğu görülmüştür. Chenhui ve arkadaşları (2008), %1 oranında modifiye nişasta kullanarak jel döküm işlemini gerçekleştirdikleri alümina bünyelerin 1700 ºC' de sinterleme sonrası teorik yoğunluğunun %93 olduğunu belirlemişlerdir (Jia et al. 2002, Chenhui et al. 2008).

Bu tez çalışmasında, jelleşme davranışı sodyum alginata benzer bir mekanizma ile ortamda Ca+2 varlığına dayalı olan bir polisakkarit olan pektinin alümina jel dökümünde kullanılabilirliği araştırılmıştır.

2.3 Pektin

Pektin, su içerisinde düşük konsantrasyonlarda bile jelleşme özelliği gösteren bir hidrokolloiddir. Bu nedenle pektinin jelleştirici ajan olarak ticari kullanımı yaygındır. Son yıllarda jelleştirici özelliğinin yanısıra stabilizatör ve kalınlaştırıcı olarak kullanımı da anlaşılmıştır. Bu nedenle kullanım alanı genişlemiştir. Gıda, ilaç, boya, polimer gibi çok çeşitli endüstrilerde reoloji modifiye edici olarak kullanılır (Fraeye et al. 2010).

Pektini ticari olarak başarılı kılan bir diğer özelliği de meyve artıklarından üretiliyor olmasıdır. Meyve artıklarının katma değeri yüksek bir madde olan pektine dönüşümü önemlidir. Günümüzde pektin ticari olarak en yaygın şekilde esansiyel yağ üretiminden arta kalan narenciye kabuklarından (%85.5), meyve suyu üretiminden arta kalan elma küspesinden (%14) ve şeker eldesi sonrası arta kalan şeker pancarı küspesinden (%0,5) izole edilerek üretilmektedir. Pektin, bitki hücrelerinin birleşim noktalarında yer alan ara lamellerde ve birincil hücre duvarlarında bol miktarda bulunmaktadır. Bu polisakkarit bitkiye dayanım ve esneklik sağlamaktadır (Chan et al. 2017).

(39)

Kimyasal olarak pektin, birbirlerine kovalent bağlı galakturonik asit birimlerinden oluşan bir anyonik polisakkarittir. Pektin, yapısında bulunan monomerler olan galakturonik asit birimlerinin birbirlerine bağlanmasıyla oluşan bir biyopolimerdir. Galakturonik asit moleküllerinden bazıları metoksillenmiş (metil-esterleşmiş) olabilir. Metanol ile esterleşmesinin derecesine bağlı olarak pektinin ticari olarak sınıflandırılmasında, metilasyon derecesi (MD) denilen bir kavram kullanılır. MD, galakturonik asit birimlerinin metil-esterleşme derecesidir. MD, yüzde olarak ifade edilen bir büyüklük olup metil-esterlerin galakturonik asit birimlerine mol cinsinden oranıdır. MD, pektinlerin jelleşme davranışını etkileyen önemli bir parametredir. DM’ nin değerine göre düşük metoksi pektin (LMP) ve yüksek metoksi pektin (HMP) olmak üzere iki tür ticari sınıflandırma mevcuttur. Düşük metosi pektinde DM<%50 ve yüksek metosi pektinde MD>%50’ dir (Einhom-Stoll 2017).

Yüksek metoksi pektin ile düşük metoksi pektinin jelleşme mekanizmaları birbirlerinden oldukça farklıdır. Yüksek metoksi pektinde, düşük pH ortamlarında yüksek miktarda sukroz varlığında birbirine komşu galakturonik asit birimleri arasında meydana gelen hidrojen bağları jelleşmeye neden olur. Hidrojen bağlanmaları yanısıra hidrofobik etkileşimler jelleşmeyi sağlayan güçlü bir etkendir (Chan et al. 2017, Kastner 2012).

Düşük metoksi petkin, “yumurta kutusu” modeli (egg-box model) olarak adlandırılan mekanizma ile jelleşir. Düşük metoksi pektin ortamda 2 değerlikli metal katyonları varlığında ve geniş bir pH aralığında jelleşir. Jelleştirici olarak en yaygın şekilde kullanılan Ca+2

katyonlarıdır.

İki farklı zincire ait olan iki karboksilat arasında meydana gelen kalsiyum köprüleri sayesinde jelleşme oluşur. Kalsiyum köprüleri iyonik karşılıklı bağlanmalar ile oluşur.

Komşu galakturonik asit zincirleri, yapılarındaki karboksil gruplarının elektrostatik ve iyonik bağlanmaları ile aralarında kalsiyum iyonlarını barındıran “yumurta kutusu” modelini oluşturarak makro seviyede jel yapısını oluştururlar. Genel olarak, yumurta kutusu şeklindeki oluşumlar elektrostatik etkileşimler vasıtasıyla, daha sonra hidrojen

(40)

bağları oluşumuyla ve Van der Waals etkileşimleriyle kararlı hallerini korurlar. Kalsiyum konsantrasyonunun artması daha kuvvetli jel oluşumuna olanak tanımaktadır (Chan et al. 2017).

Yaptığımız tez çalışmasında daha geniş pH aralığında jelleşme sağlayan düşük metoksi pektin kullanınılmıştır. Düşük metoksi pektinin oluşturduğu jellerde jel kuvveti, düşen sıcaklıkla ve artan Ca+2 _{konsantrasyonuyla birlikte artmaktadır (Chan et al. 2017).}

(41)

3. MATERYAL ve METOT

3.1 Materyal

Bu çalışmada, yüksek saflıkta (%99.9) alfa faz alümina (α-Al2O3) kullanılmış olup Alfa Aesar firmasından temin edilmiştir.

Çalışmada kullanılan saf su Afyon Kocatepe Üniversitesi Kimya Mühendisliği Laboratuvarından temin edilmiştir.

Bu çalışmada kullanılan pektin gıdalarda kullanılmakta olan toz halindeki düşük metoksilli pektin olup Katkı Dünyası adlı firmadan temin edilmiştir.

Çalışmada kullanılan kalsiyum klorür (CaCl2)Sigma Aldrich firmasından temin edilmiştir.Beyaz renkte, kokusuz, higroskopik toz olan kalsiyum klorürhava ile temas edince tozlanan kristallerinem çekici olarak da bilinir. Molekül ağırlığı 110.98 g/mol’dür. Gıda, tarım, inşaat,petrol rafinerileri dahil pek çok alanda kullanılmaktadır (İnt.Kyn.10).

Çalışmada kullanılan Dolapix CE64 adı verilen ticari bir deflokulant Zschimmer & Schwarz firmasından temin edilmiştir. Dolapix CE 64, alkali içermeyen organik, köpük yapmayan çözündürücü bir maddedir.Katı içeriği yüksek olan malzemelerin üretilmesini mümkün kılar.Ürün sıvı olduğundan ve bu nedenle komplikasyonsuz ayrıldığından, deflokülasyon etkisi malzemeye eklenmesinden hemen sonra başlar. Bu nedenle, deflokulantı malzemeye hızlı, homojen bir şekilde dahil ederek ayarlamak her zaman mümkündür. Deflokulant, yüksek katı içeriğe sahip süspansiyonun slip yoğunluğunu arttırmak, şekillendirilmiş malzemenin kurutma hızını arttırmak, kurutma küçülmesini ve şekillendirilen ürünlerde oluşan çatlak ve çarpıklıkları azaltmak gibi avantajlar sağlamaktadır .Dolapix CE 64, polimetakrilik asidin amonyum tuzunun sulu çözeltisidir (PMAA-NH4).

(42)

Şekil 3.1 Deflokulant ve flokulant kullanılan süspansiyonlar (İnt.Kyn.10).

3.2 Metot

3.2.1 Kullanılan Cihazlar ve Yöntem

Alümina tozunun tane boyutu analizi Afyon Kocatepe Üniversitesi Maden Mühendisliği Bölümü'nde bulunan ve Resim 3.1 (b)’de görülen Malvern, Mastersizer 2000 marka lazerli tane boyut analiz cihazı kullanılarak gerçekleştirilmiştir.

Çalışmada kullanılan alüminanın faz analizi Afyon Kocatepe Üniversitesi Teknoloji Uygulama ve Araştırma Merkezi Laboratuarında (TUAM) bulunan veResim 3.1 (d)‘de görülen Bruker marka D8 Advance Model X-ışınları kırınımı cihazı ile XRD yöntemiyle gerçekleştirilmiştir.

Reolojik analizler Afyon Kocatepe Üniversitesi Maden Mühendisliği laboratuarındaki Resim 3.1 (c)’de görülen Anton Paar Rheolab QC marka reometre cihazı kullanılarak gerçekleştirilmiştir.

Alümina malzemenin saf su ve deflokülant ile çamur oluşumu Afyon Kocatepe Üniversitesi Malzeme Mühendisliği Laboratuvarında bulunan Sermaş marka bilyalı jet değirmende gerçekleştirilmiştir.

(43)

Malzemelerin sinterleme işlemi Afyon Kocatepe Üniversitesi Malzeme Mühendisliği Laboratuarında bulunan laboratuvar tipi fırında gerçekleştirilmiştir.

Alümina seramiklerin yaş ve sinterlenmiş numunelerinin üç nokta eğme mukavemet analizleri Afyon Kocatepe Üniversitesi Malzeme Mühendisliği laboratuarındaki Autograph Shımadzu AG-IS 100kN marka cihaz kullanılarak gerçekleştirilmiştir.

Sinterleme öncesi ve sonrasında numunelerin mikroyapı analizleri Afyon Kocatepe Üniversitesi Teknoloji Uygulama ve Araştırma Merkezi Laboratuarında (TUAM) bulunan ve Resim 3.1 (a)’da görülen Leo marka Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) kullanılarak gerçekleştirilmiştir.

Malzemelerin su emme analizi Afyon Kocatepe Üniversitesi Malzeme Mühendisliği laboratuvarındaki Ser Ac Adapter marka Arşimet terazisi kullanılarak yapılmıştır.

Porozite analizi Afyon Kocatepe Üniversitesi Teknoloji Uygulama ve Araştırma Merkezi Laboratuvarında (TUAM) Micromeritics marka Civa Porozimetre Cihazı kullanılarak gerçekleştirilmiştir.

Malzemelerden vakumla hava kabarcıkları giderim işlemi Afyon Kocatepe Üniversitesi Kimya Mühendisliği laboratuvarındaki Blue Poard marka vakumlu etüvde gerçekleştirilmiştir.

(44)

(a) (b)

(c) (d)

Resim 3.1 (a) Taramalı elektron mikroskobu (SEM), (b) Tane boyut analiz cihazı, (c) Reometre,

(d) X-ışınları kırınımı cihazı (XRD).

Bu çalışmada, yüksek kararlılık ve yoğunluğa sahip alfa alümina ve pektin kullanılarak üretilen alümina bünyelerin fiziksel ve mekanik özellikleri araştırılmıştır. Pektin kullanılarak oluşturulan alümina bünyelerin oluşturulmasında gerçekleştirilen işlemlerin akım şeması Şekil 3.1’de gösterilmiştir.

(45)

Çamur Hazırlama Pektin Çözeltileri

Hazırlama

Reolojik Analizler

Şekil 3.2 Deneysel çalışmalar şeması.

3.2.2 Pektin Çözeltileri Hazırlama ve Reolojik Analizleri

Bu çalışmada farklı konsantrasyonlara sahip pektin çözeltileri, saf su içerisinde Resim 3.2‘de görüldüğü gibi pektinin 55-65 °C ‘de manyetik karıştırıcılı ısıtıcı kullanılarak çözülmesiyle oluşturulmuştur. Çalışmada, ortamda glikoz olmadığı durumlarda da jelleşme özelliği gösterebilen düşük metoksilli pektin kullanımı tercih edilmiştir. Pektinin jelleşmesinde ortamda Ca+2 iyonları varlığı gerektiği için kalsiyum kaynağı olarak CaCl2 kullanılmış olup homojenize olmuş pektin çözeltisine farklı konsantrasyonlarda CaCl2 ilave edilip karıştırılmaya devam edilmiştir.Farklı miktarlarda CaCl2 ilavesinin pektin çözeltilerinin reolojik özelliklerine etkisi gözlenmiş olup, oluşturulan pektinli çözelti başka bir manyetik karıştırıcıda 1 saat süre ile oda sıcaklığında karıştırılmıştır.

Karıştırma

Vakum ile Hava Kabarcıkları Giderme

Döküm

Karakterizasyon - Yaş numune: 3 nokta eğme

mukavemet, SEM ile mikroyapı analizleri - Sinterlenmiş numune: pişme küçülmesi, 3 nokta eğme mukavemeti, su emme, bulkyoğunluk,görünür yoğunluk, açık porozite, gözeneklilik, SEM ile mikroyapı analizleri

Jelleşme ve Koagülasyon

Kalıptan Alma

Kurutma

(46)

Jel kıvamına gelen çözelti bir gün süre ile +4 °C sıcaklıkta buz dolabında bekletilip reolojik analizleri yapılmıştır. Hazırlanmış ve reolojik analizlerde kullanılmış olan pektin çözeltilerine ait formülasyonlar Çizelge 3.1' de sunulmuştur.

Çizelge 3.1 Reolojik analizde kullanılan kompozisyonlar.

Resim 3.2 (a) Pektin, (b) Jelleşmiş pektin.

Numuneler Kütlece saf su (g) Pektin Konsantrasyonu (kütlece %) CaCl2 Konsantrasyonu (kütlece %) P1 100 0.5 0.3 P2 100 0.5 0.5 P3 100 1 0.3 P4 100 1 0.5 P5 100 1.5 0.3 P6 100 1.5 0.5 P7 100 2 0.3 P8 100 2 0.5